撰文：挑食的免疫喵
来源：闲谈 Immunology
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提起类器官，大家的第一反应也许是这样的：在培养皿中，一个小小的器官悄然生长着……类器官（Organoid）是在体外用3D培养技术对干/祖细胞进行诱导分化形成的在结构和功能上都类似目标器官/组织的三维细胞复合体。类器官其具有稳定的表型和遗传学特征，能够在体外长期培养。
类器官是2017年度Nature Methods评选的方法, 细胞可来源于人体，结构类似于器官，则可以作为接近人体的研究模型, 进行科学研究和药物筛选。
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类器官的培养
成体干细胞衍生的类器官培养，通常是将制备好的成体干细胞单细胞悬液，加入到细胞外基质（ECM）水凝胶中来建立的。比如肠道类器官，从小肠或结肠分离出的隐窝细胞可以培养出类器官，从分离的成人肠干细胞中也可以培养出类器官。
上皮类器官的培养基，是以添加与其器官相关的生长因子培养基为基础的。因此，从不同组织（如呼吸道、肝脏、胰腺、皮肤、膀胱、大脑、心脏）提取的细胞，要在培养基中补充相关生长因子。
大脑类器官培养过程如下图：
大脑类器官培养过程
诱导多能干细胞（iPSC）衍生细胞，在神经诱导介质中生长，产生神经外胚层，嵌入凝胶中，并在旋转生物反应器或轨道摇床中生长，以更好地扩散，获得3D类脑器官。在暴露于维甲酸的情况下，大脑器官通过自我组装模式，形成自缔和组织，形成包括放射状胶质细胞在内的不同种群的神经祖细胞，这些神经祖细胞扩展形成大脑结构。
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上皮细胞类器官的构建
一般来说，上皮细胞出现在机体和外界先接触的器官（比如皮肤，气管，肺，消化道），是机体对抗病原体侵染的第一层屏障，也是第一个对病原体感染作出反应的细胞。
为了维持体内平衡，并提供对感染的快速反应，上皮细胞与免疫细胞密切配合。所以在上皮区域，也是全身免疫细胞浓度最高的区域。建立上皮细胞和免疫细胞相互作用的模型，是研究抗感染免疫和损伤后免疫的重要手段。
上皮细胞类器官的建立，可以非常精准的模拟机体上皮环境，也被发展起来研究上皮和免疫细胞相互作用。
有三种共培养的模式
用细胞外基质中的重组细胞因子处理类器官，用以评价免疫细胞衍生细胞因子对于上皮细胞的影响。（如IL-4和IL-13促进丛生细胞分化，而IL-22支持干细胞增殖和存活。）
将器官消化到单个细胞，在免疫细胞存在的情况下培养生长。用以评估免疫细胞和免疫细胞衍生的细胞因子（可溶性或膜结合）对器官生长和分化的影响，以及上皮细胞对免疫细胞表型的影响。
在ECM或生长培养基（悬浮培养）中，向完整的类器官中添加免疫细胞（如 T 细胞或ILCs），用以评估免疫细胞与上皮细胞之间的相互作用。
这些检测的读数通常包含消化形成的器官和随后的转录（无论是单细胞RNA测序或定量PCR），成像和/或流式细胞术评估上皮细胞和/或免疫细胞表型。
在这些共培养中使用的免疫细胞，要么直接从小鼠组织（例如，脾细胞、肠上皮内淋巴细胞、T细胞、ILCs或肺ILC2s）中分离。要么直接从人外周血中提取，要么先在体外分化。
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胸腺类器官：用于研究 T 细胞发育
胸腺是 T 细胞从祖细胞向成熟幼稚淋巴细胞分化的中心部位。来自骨髓的 T 淋巴祖细胞，在胸腺皮质进行阳性选择，随后在胸腺髓质中进行阴性选择。胸腺由两种上皮细胞组成：皮质胸腺上皮细胞（cTECs）和髓质胸腺上皮细胞(mTECs)。
3D重建胸腺类器官被证明是模拟其功能的关键。几种胸腺类器官的产生方法：1）胸腺类器官培养通常是来自人细胞系或胎鼠或新生小鼠胸腺组织。2）TEC样细胞与人胚胎干细胞的体外分化。
这些培养都产生胸腺样结构。在体外产生活的 T 淋巴细胞，并在移植到裸鼠上时发挥作用。有趣的是，虽然类似胸腺结构的长时间培养是可能的（离体培养长达56天），但在连续传代时，细胞失去了集落形成能力。重要的是，虽然在成年小鼠中已经发现了一种双能的TEC前体，但含cTECs和mTECs的胸腺器官尚未从单个干细胞中生成。此外，考虑到小鼠体内某些双能TEC前体的生长因子已被发现（如BMP-4和IL-2），可以尝试这些因子是否可用于维持TEC的祖细胞来源的类器官。
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类器官模型：用于病原体感染研究
幽门螺杆菌微量注射到人源iPSC来源的胃类器官，在那里它与上皮紧密相连，并随后转移毒力因子细胞毒素相关基因A（CAGA）进入上皮细胞。幽门螺杆菌诱导iPSC衍生的胃器官中表达检查点PDL1，可能导致免疫逃逸。实际上，在没有PD1阻断抗体的情况下，自体细胞毒性T淋巴细胞（CTLs）对类器官没有任何作用。因而类器官不但可以模拟感染的病理过程，也可以作为模型进行药物作用机理研究。
类器官模型也被用于艰难梭菌感染肠道上皮细胞，呼吸道合胞病毒感染肺上皮细胞等的研究。
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类器官模型：用于组织修复和再生
免疫系统也会参与上皮损伤后的组织修复。例如，ILC3细胞分泌的IL-22保护肠道免受辐射、化疗或 GVHD 的损害。如上所述，IL-22独立于其他因素和Paneth细胞的存在，诱导LGR5-ISCs的存活和增殖。
促炎细胞因子TNF，通过NF-κB依赖的方式促进原代小鼠肝细胞类器官的长期培养，而非IL-6。然而重要的是，小鼠和人的类器官都可以在没有TNF的情况下生长，这表明虽然低度炎症是上皮再生所必需的，但在稳态条件下不需要。类器官为组织损伤修复及再生提供了类似于机体环境的模型。
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类器官模型：用于肿瘤微环境研究
两种主要的方式被使用（以非小细胞肺癌为例）
在整体方法（左）中，肿瘤活检组织是在气液界面间环境培养。所有肿瘤细胞类型（包括内源性免疫细胞和其他非上皮细胞类型）的细胞悬液，皆可促进肿瘤特异性T细胞的生长。
在还原模拟法（右）中，上皮类器官是从肿瘤活检组织中生长出来的，然后与来自同一患者外周血的自体免疫细胞共培养，以促进肿瘤反应细胞的连续扩张。
虽然整体方法，允许包括整个肿瘤微环境的肿瘤材料的培养。因此，与体内情况非常相似，但不易长时间维持，而还原模拟方法允许肿瘤上皮的长期培养和扩展，这使得广泛长期的研究成为可能。
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类器官：用于药物筛选
一）心肌类器官
动物模型（主要是小鼠），被广泛用于研究心脏病，提供有价值的结果。然而，由于许多功能和生物学特性的物种差异很大，它们对人类心脏疾病和药物安全性的推断很差。
人类多能干细胞（包括ESC和iPSC）可以提供无限的人类心肌细胞，有可能弥合这一鸿沟。然而，传统 2D 培养中的多能干细胞源性心肌细胞功能缺乏成熟，影响准确预测人类生物学和病理生理学的能力。3D人体类器官提供了更接近的模型，是解决问题的潜在方法。
澳大利亚昆士兰大学的科学家在 Cell Stem Cell 发表文章，他们基于96孔板，培养心脏心肌类器官，进而进行化合物筛选的新流程。
具体流程如下图：
二）大脑类器官
神经球经培养，会产生大脑，中脑，海马，前脑等不同脑部类器官。
三）神经类器官的各种应用
物种进化
先天性脑畸形
神经退行性疾病
基因编辑
药物筛选
疾病病理学研究
参考资料：
[1]Yotam E. Bar-Ephraim, Kai Kretzschmarand Hans Clevers，Organoids in immunological research，Nature Reviews Immunology，2019
[2]Tanya Chhibber et al,CNS organoids: an innovative tool for neurological disease modeling and drug neurotoxicity screening,Drug Discovery Today, November 2019
[3]Richard J. Mills et al, Drug Screening in Human PSC-Cardiac Organoids Identifies Pro-proliferative Compounds Acting via the Mevalonate Pathway,Cell Stem Cell 24, 895–907, June 6, 2019
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